Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

ОПТИ́ЧЕСКАЯ ТОМОГРА́ФИ́Я

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 24. Москва, 2014, стр. 291

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: В. В. Шувалов

ОПТИ́ЧЕСКАЯ ТОМОГРА́ФИ́Я, со­во­куп­ность ме­то­дов ви­зуа­ли­за­ции внутр. струк­ту­ры объ­ек­тов (гл. обр. био­ло­ги­че­ских), ос­но­ван­ных на ис­поль­зо­ва­нии разл. эф­фек­тов взаи­мо­дей­ст­вия оп­тич. из­лу­че­ния с силь­но рас­сеи­ваю­щи­ми сре­да­ми. О. т. ос­но­ва­на на зон­ди­ро­ва­нии объ­ек­та оп­тич. из­лу­че­ни­ем и мно­го­крат­ных из­ме­ре­ни­ях (по­сле­до­ва­тель­ных ли­бо па­рал­лель­ных) ха­рак­те­ри­стик про­шед­ше­го, от­ра­жён­но­го ли­бо рас­се­ян­но­го зон­ди­рую­ще­го из­лу­че­ния при раз­ных по­ло­же­ни­ях ис­точ­ни­ка из­лу­че­ния и фо­то­при­ём­ни­ка. Дан­ные этих из­ме­ре­ний ис­поль­зу­ют­ся для по­сле­дую­щей (или па­рал­лель­ной) ви­зуа­ли­за­ции внутр. струк­ту­ры объ­ек­та. В О. т. при­ме­ня­ют­ся раз­но­об­раз­ные спо­со­бы по­лу­че­ния ин­фор­ма­ции о внутр. струк­ту­ре объ­ек­та из ха­рак­те­ри­стик де­тек­ти­руе­мо­го из­лу­че­ния. Ин­тен­сив­но раз­ви­ва­ют­ся та­кие ме­то­ды О. т., как оп­тич. ко­ге­рент­ная то­мо­гра­фия (ОКТ), оп­тич. им­пульс­ная (вре­мя­про­лёт­ная) то­мо­гра­фия, оп­тич. мо­ду­ля­ци­он­ная то­мо­гра­фия (ОМТ), диф­фу­зи­он­ная оп­тич. то­мо­гра­фия (ДОТ), О. т. на ос­но­ве кор­ре­ля­ци­он­ных и по­ля­ри­за­ци­он­ных ме­то­дов. Раз­ви­ва­ют­ся так­же ме­то­ды, ос­но­ван­ные на пре­об­ра­зо­ва­нии зон­ди­рую­ще­го из­лу­че­ния в др. спек­траль­ный диа­па­зон (флуо­рес­цент­ная то­мо­гра­фия) ли­бо в по­ля др. фи­зич. при­ро­ды, напр. в зву­ко­вые вол­ны (оп­ти­ко-аку­стич. то­мо­гра­фия). Боль­шое раз­но­об­ра­зие и объ­ём ин­фор­ма­ции, по­тен­ци­аль­но дос­туп­ной ме­то­дам О. т., от­кры­ва­ют чрез­вы­чай­но ши­ро­кие воз­мож­но­сти для мно­го­функ­цио­наль­ной ди­аг­но­сти­ки.

Рис. 1. Поглощение оксигемоглобина (OxyHb), дезоксигемоглобина (DeoxyHb) и воды в терапевтическом окне прозрачности.

Осн. дос­то­ин­ст­вом О. т. яв­ля­ет­ся её без­вред­ность. Дли­ну вол­ны $\lambda$ зон­ди­рую­ще­го из­лу­че­ния обыч­но вы­би­ра­ют в об­лас­ти т. н. те­ра­пев­тич. ок­на про­зрач­ности (650–1100 нм) (рис. 1). При этом за счёт ма­лой энер­гии кван­та из­лу­че­ния (1–2 эВ) ве­ро­ят­ность про­цес­сов ио­ни­за­ции с об­ра­зо­ва­ни­ем сво­бод­ных ра­ди­ка­лов близ­ка к ну­лю. В ус­ло­ви­ях мно­го­крат­но­го рас­сея­ния рас­про­стра­не­ние из­лу­че­ния опи­сы­ва­ют с по­мо­щью урав­не­ния пе­ре­но­са плот­но­сти по­то­ка энер­гии из­лу­че­ния, ко­то­рое час­то с по­мо­щью до­пол­нит. при­бли­же­ний при­во­дят к фор­ме урав­не­ния диф­фу­зии, ли­бо ста­ти­стич. ме­то­да­ми (в ча­ст­но­сти, ме­то­дом Мон­те-Кар­ло). Про­цес­сы взаи­мо­дей­ст­вия зон­ди­рую­ще­го из­лу­че­ния с объ­ек­том обыч­но ха­рак­те­ри­зу­ют сле­дую­щи­ми па­ра­мет­ра­ми, ус­ред­нён­ны­ми по мас­шта­бам по­ряд­ка дли­ны вол­ны $\lambda$: ко­эф­фи­ци­ен­та­ми по­гло­ще­ния $\mu_a$ и рас­сея­ния $\mu_s$, а так­же т. н. фа­зо­вой функ­ци­ей $p(\theta)$, опи­сы­ваю­щей ин­ди­кат­ри­су од­но­крат­но­го рас­сея­ния на угол $\theta$. Фа­зо­вую функ­цию час­то за­ме­ня­ют па­ра­мет­ром ани­зо­тро­пии $g=\langle\cos \theta \rangle$, ко­то­рый за­да­ёт транс­порт­ный ко­эф. рас­сея­ния $\mu'_s=(1-g)\mu_s$. При этом транс­порт­ная дли­на рас­сея­ния $l_s=(\mu'_s)^{-1}$ ха­рак­те­ри­зу­ет рас­стоя­ния, на ко­то­рых фо­то­ны «за­бы­ва­ют» об ис­ход­ном на­прав­ле­нии рас­про­стра­не­ния. Под струк­ту­рой объ­ек­та в О. т. обыч­но по­ни­ма­ют вос­ста­нов­лен­ные за­ви­си­мо­сти $\mu_a(x,y,z)$, $\mu_s(x,y,z)$, $g(x,y,z)$, $\mu'_s(x,y,z)$, $D(x,y,z)$, где $x,y,z$ – ко­орди­на­ты то­чек внут­ри объ­ек­та, $D=c[3(\mu_a+ \mu'_s)]^{-1}$ – ко­эф. диф­фу­зии, $c$ – ско­рость све­та.

В те­ра­пев­тич. ок­не про­зрач­но­сти раз­мер не­од­но­род­но­стей, на ко­то­рых про­ис­хо­дит рас­сея­ние, обыч­но пре­вы­ша­ет $\lambda$, по­это­му про­цес­сы од­но­крат­но­го рас­сея­ния для био­ло­гич. тка­ней яв­ля­ют­ся ма­ло­уг­ло­вы­ми и $g=$0,65–0,95. В ре­зуль­та­те ча­ще все­го вы­пол­ня­ют­ся не­ра­вен­ст­ва $$\mu_a \sim 10^{-2}-10^{-1} см^{-1} \ll \mu'_s \ll \mu_s \sim 10^2-10^3 см^{-1},$$что обес­пе­чи­ва­ет воз­мож­ность зон­ди­рова­ния био­ло­гич. объ­ек­тов раз­ме­ром вплоть до не­сколь­ких де­сят­ков сан­ти­мет­ров.

Рис. 2. Типичный вид времяпролётной характеристики в условиях многократного рассеяния излучения.

Де­тек­ти­руе­мое из­лу­че­ние ус­лов­но де­лят на 3 со­став­ляю­щие. Это бал­ли­стич. фо­то­ны, не ис­пы­тав­шие рас­сея­ния и про­шед­шие от ис­точ­ни­ка к фо­то­де­тек­то­ру по крат­чай­ше­му пу­ти, «snake»-фо­то­ны, рас­про­стра­няв­шие­ся по тра­ек­то­ри­ям с дли­на­ми, близ­ки­ми к крат­чай­шим, и «banana-shape»-фо­то­ны, про­шед­шие по бо­лее длин­ным тра­ек­то­ри­ям. Фо­то­ны, ис­пу­щен­ные в один и тот же мо­мент вре­ме­ни, де­тек­ти­ру­ют­ся в раз­ное вре­мя, что опи­сы­ва­ет т. н. вре­мя­про­лёт­ная ха­рак­те­ри­сти­ка (рис. 2). Па­ра­мет­ры сре­ды не­оди­на­ко­во влия­ют на раз­ные уча­ст­ки этой ха­рак­те­ри­сти­ки, что и по­зво­ля­ет раз­де­лять их вкла­ды. Та­кое раз­де­ле­ние обес­пе­чи­ва­ет­ся за счёт ис­поль­зо­ва­ния им­пульс­ных (пи­ко- и фем­то­се­кунд­ных) ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния (им­пульс­ный то­мо­граф, рис. 3), вы­со­ко­час­тот­ной мо­ду­ля­ции (час­то­та мо­ду­ля­ции неск. со­тен МГц и бо­лее, ОМТ) ли­бо кор­ре­ля­ци­он­ных ме­то­дик.

Рис. 3. а – Импульсный томограф MONSTIR (Университетский колледж, Лондон) для функциональной диагностики мозга; б – восстановленные коронарные сечения, слева направо: регионарные карты объ...

Хо­тя прин­ци­пи­аль­ный пре­дел про­стран­ст­вен­но­го раз­ре­ше­ния в О. т. оп­ре­де­ля­ет­ся $\lambda$, при­бли­зить­ся к это­му пре­де­лу уда­ёт­ся лишь та­ки­ми ме­то­да­ми, ко­то­рые ос­но­ва­ны на ре­ги­ст­ра­ции бал­ли­стич. фо­то­нов. Для объ­ек­тов раз­ме­ром бо­лее 1 см от­но­сит. вклад та­ких фо­то­нов пре­неб­ре­жи­мо мал ($\leq$10–40 ) и при­хо­дит­ся ог­ра­ни­чи­вать­ся де­тек­ти­ро­ва­ни­ем диф­фуз­ной ком­по­нен­ты рас­се­ян­но­го из­лу­че­ния (ДОТ). В свя­зи с этим реа­ли­зо­вать вы­со­кое (ме­нее $l_s$) про­стран­ст­вен­ное раз­ре­ше­ние не­воз­мож­но. В ДОТ не­при­ме­ни­мы ме­то­ды ре­кон­ст­рук­ции, раз­ви­тые для рент­ге­нов­ской и ульт­ра­зву­ко­вой то­мо­гра­фии, что де­ла­ет за­да­чу вос­ста­нов­ле­ния струк­ту­ры объ­ек­та чрез­вы­чай­но слож­ной про­бле­мой.

Рис. 4. а – Оптический когерентный томограф Stratus ОСТ 3000 (США) для офтальмологии; б – изображение разрыва сетчатки.

Мож­но вы­де­лить три осн. на­прав­ле­ния раз­ви­тия О. т. Пер­вое – изу­че­ние срав­ни­тель­но тон­ких (тол­щи­ной ме­нее 1–3 мм) сло­ёв био­ло­гич. тка­ней на ос­но­ве им­пульс­ных, ко­ге­рент­ных и по­ля­ри­за­ци­он­ных ме­то­дик с пре­дель­но вы­со­ким раз­ре­ше­ни­ем. Наи­бо­лее от­ра­бо­та­ны ме­то­ди­ки ОКТ, реа­ли­зо­ван­ные в ря­де се­рий­но вы­пус­кае­мых при­бо­ров (Stratus ОСТ 3000, США, рис. 4; Topcon 3D OCT-1000, Япо­ния, и др.). Вто­рое на­прав­ле­ние свя­за­но с ви­зуа­ли­за­ци­ей внутр. струк­ту­ры круп­но­мас­штаб­ных объ­ек­тов (О. т. моз­га, мам­мо­гра­фия), на­прав­лен­ной на вы­яв­ле­ние но­во­об­ра­зо­ва­ний (ге­ма­том, опу­хо­лей и т. п.). На 2013 диф­фу­зи­он­ные сис­те­мы О. т. под­го­тов­ле­ны к се­рий­но­му вы­пус­ку и про­хо­дят кли­нич. ис­пы­та­ния. Третье на­прав­ле­ние – раз­ра­ботка гиб­рид­ных ме­то­дик (оп­ти­ко-аку­стич. то­мо­гра­фия, не­ко­то­рые флуо­рес­цент­ные ме­то­ди­ки и т. п.), ко­то­рые долж­ны обес­пе­чить луч­шее, чем в ДОТ, про­стран­ствен­ное раз­ре­ше­ние при ди­аг­но­сти­ке круп­но­мас­штаб­ных объ­ек­тов.

Лит.: Ле­вин ГГ., Веш­ня­ков ГН. Оп­ти­че­ская то­мо­гра­фия. М., 1989; Ту­чин ВВ. Ис­сле­до­ва­ние био­тка­ней ме­то­да­ми све­то­рас­сея­ния // Ус­пе­хи фи­зи­че­ских на­ук. 1997. Т. 167. № 5; он же. Оп­ти­ка био­ло­ги­чес­ких тка­ней. М., 2012; Зим­ня­ков Д. А., Ту­чин В. В. Оп­ти­че­ская то­мо­гра­фия тка­ней // Кван­то­вая элек­тро­ни­ка. 2002. Т. 32. № 10.

Вернуться к началу